小激光器的进展

小激光器的进展MartinT.HillandMalteC.Gather摘要：小型激光器的尺寸或模尺寸接近或小于发射光的波长。近年来，在减少的大小和改善这些设备的性能方面有着明显的进步。这些进展主要是由新材料和谐振腔设计的开创性使用导致的。本文总结了一些最新的进展，特别是在金属与等离子激元激光器，小型绝缘激光器的也取得了很大改进，还有新兴的小生物兼容和生物衍生的激光器领域。我们研究了所采用的不同方法，来减少大小，以及它们如何导致在最终的设备，特别是在金属和电介质谐振腔激光器的显着差异。我们还提出了各种形式的小激光器的潜在应用，并指出所要的深入研究。光子元件的小型化和集成化已经改善了系统，而且开辟了各种新的应用领域，有点类似于电子产品的发展。激光器的小型化具有特别的前景，但也证明了特别具有挑战性。更小的激光片的潜在应用包括光通信和数据处理，从而使数据传输速率超过在电子工业1-3可行的领域。同时激光的持续小型化，可以使这种具有生物相容性和可植入性4,5的激光器在医疗成像和传感等领域开辟了新的路径。同样，三维（3D）显示和先进的全息技术可以从紧凑的相干光源6极大地受益。1980s7,8，VCSEL（垂直腔面发射激光器）的发明宣告着第一台只有几个发射光波长尺寸大小的微型激光器的诞生。在上世纪90年代，激光器的进一步小型化的措施在微盘激光器9，光子晶体激光器10和自组装纳米激光器证实。尽管这一开创性的工作依靠传统的半导体和由自上而下的光刻模式技术，但是使用新的增益材料如有机半导体12和纳米量子点13使用更多bottom-up的制造激光器方法来和并且提供了额外的可塑性，例如，相对于谐振腔设计和发射波长。由于所有这些激光在电介质的折射率的差异，把激光限制在空腔中，激光的整体大小远大于发射光的波长并且最小可能的光学模的大小是由衍射极限决定。最近，金属基谐振腔结构，使激光器的整体尺寸缩小到小于发射光的波长，光学模式尺寸小于衍射极限14-20。在过去几十年中激光小型化的进展总结在图1中，从最初的激光概念证明似乎需要10-20年，激射，通常在低温下进行，直到获得对设备有用的应用（图1）。实用设备通常需要在室温下连续波(CW)运行，理想的带有直接的电泵，可获得各种类型的激光器合理的长寿命和特定的特性，不能提供。在这篇综述中，我们讨论的最新进展这些激光器的进展，这些比以往更精小的激光器。每种类型的激光使用一个特定的方法，以解决所涉及的根本的挑战，来减少激光器设备的大小。首先，我们测试由每种方法导致的最主要激光特性，并确定它最有力的特性。然后，我们讨论未来的挑战，主要是进一步小型化和获得对商业化有用的设备。用一个简化的激光模型来说明激光的大小最终局限，利用这些特点以获得小型化的每个激光类型的功能，以及这些功能如何影响设备的特性和最终的小型化的极限。图2展示了一个广义激光谐振腔（在这种情况下，一个法布里–波罗腔）的长度L，端镜反射率R1和R2，谐振在自由空间波长λ0、传播模式的有效折射率n和沿着中心波导的传播损耗α。注意，有效折射率n可能和波导核心指数明显不同，尤其是在下面讨论的电浆子结构中。激光参数是当电场振幅在腔中的任意一点E0返回到其原始值后，这里，Gm是光学增益（见下）。在方程中的虚指数必须是2π的整数倍，这是空腔长度的必要条件在这里m是一个整数。可能的最短腔长是半波长(m=1)。方程(1)的振幅分量引出另一个腔长的必要条件L，模态增益Gm必须克服内部吸收损耗的损失αi和腔内镜像往返的损失，由此得出在限制因子Γ下，光学增益是典型的和有源区材料的材料增益Ga有关，它描述了激光模体积V0与有源区VA体积分数重叠Gm=ΓGa在没有光学增益和激光的情况下，腔中光子寿命的τP，通常由上述介绍的腔参数或由谐振腔更普遍适用的品质因数Q参数的决定C是真空中光速。在激光阈值中，模增益因此和相关的光子寿命：我们不仅假设在腔内光的相速度合群速度是相同的，而且Γ可以从增益介质的重叠部分的模电场能量得出。这两者都是不真实的21,22。当Γ为波导的限制，它可以大于121,22，故使模态增益大于物质增益，虽然需要达到阈值的物质增益由于增加的群系数21n可能不会减小。然而，当Γ作为能量限制因子，它总是小于1的21。虽然最小的激光器可能不是基于传播模式，但我们仍然可以分配一个能量约束因素Γ和光子（或等离子）寿命以便于许多关键参数和小型激光器的各种类的概念可以通过简化模型比较和说明。如何让激光器和电子器件的尺寸兼容？这些电子器件尺寸可能只有几十或几百纳米的大小。考虑到第一激光长度，L的下限由确定的相位限制（方程（2））和模态增益（方程(3)和(4)）决定。由于半导体的高折射率，半导体激光器L允许有几百纳米的相限制。正如后面的讨论，这可以通过实践中增加系数n进一步减少，增益限制通常是L的最大约束，因为谐振腔必须足够长，从而可以弥补镜像损失。降低增益尺寸大小约束需要减小镜像损失，需要通过增加Γ和Ga来提高Q和改进模态增。激光器的横向尺寸也有基本的限制。对于基于介电波导激光器来说，降低波导的厚度和改变金属电极的位置。相反，金属或金属表面等离激元波导如金属–绝缘子-金属（MIM）16结构允许减少的横向尺寸和波长的局部横场，虽然在增加α由于金属的吸收14,16（图2C）。一般来说，降低激光的横向尺寸涉及Γ，VA和α之间的复杂的权衡，我将在后面讨论。缩小的电子设备的尺寸往往会产生改进的一些特性-特别是更高的速度。激光器的调制带宽，这是由在关闭激光器和激光发射末尾之间产生的延迟决定的，最终受光子寿命τP决定.在达到τP极限23前，像非线性增益压缩等因素限制了调制带宽，特别是直接电调制，这将为未来通信应用是重要的。小的激光谐振腔也能修改明显调整了自发发射的发射速率17,19,20，从而提高调制带宽，特别是如果腔被用作LED上而不是用在激光上23-26。然而在光信号处理中的应用中，光调制带宽可以接近光子寿命极限27。实现更短τP需要增加内部和镜像损失和由此再次要求较高的Gm（通过提高Γ和Ga）。低功率运作通常需要一个更大的τP和一个更高的Γ，以此来减小所要达到激光阈值的物质增益。结合一个小的活动介质的体积和一系列的其他技术因素，这最大限度地减少了所要达到的绝对的泵能。同时，带有小活性介质和大的τP的激光器的总输出功率自然比许多传统的激光器小。然而，随着接下来的讨论，对许多应用来说，它是更相关的实现低功耗的操作，即，获得低阈值和高转换效率的泵浦和激光输出（斜效率）。平衡阈值和斜率效率往往涉及内部损失和镜像损失之间的权衡。光谱纯度对于某些应用可能是一个优势，在这种情况下，较高的Q是理想的因为激光线宽是与Q成反比（参考文献26）小型激光器的活性材料与宏观激光相比，小型激光器需要具有较大的物质增益的活性材料，因为镜像损耗必须在较短的时间内得到补偿，而内部损耗往往较高。这限制了液体和固态增益介质活性材料的选择。图3a比较了在不同种类增益介质上可实现和小激光器相关的光学增益。无机固体材料-特别是半导体材料是最广泛使用的小型激光增益材料。他们允许直接电泵并且提供从几百厘米的体半导体21到5×10-4每厘米的量子点28的高的光增益。更大的光学增益-达到好几百每厘米的半导体已经从最近的关于金属激光和纳米线激光器17,18,20,29,30实验推断出。虽然这些数据没有通过直接放大测量证实，在校的等离子体波导激光器18,20的高载密度21和很低的光的群速度，这一点上理论模型和预测一致。特别是高增益已被在低温下运行的设备发现。然而，大约940每厘米的散装材料增益甚至被在室温下的电泵浦激光器推出来，尽管由于高注入电流31导致设备寿命有限。高电流注入可引起显着的设备升温，从而限制增益。然而，表面发射金属激光器的实验已经推断量子阱增益超过8400每厘米，即使在室温下连续的电泵32。对于量子点和量子阱结构，可达到增益往往是显着低于材料的增益，因为有限的带有小量子点的模的重叠。然而，精心设计的结构，如高密度量子点23或量子阱27可提供在小金属激光器的在块状半导体方面的一些优势。调整常规半导体的发射波长，并将它们与其他材料整合（例如，金属纳米结构）通常需要复杂的沉积和光刻工艺。可替代材料的种类，提供了一种倒置的设备制造方法，包括有机染料，有机半导体和胶体量子点纳米晶体。这些材料可以通过基于溶液的工艺很容易被用来制备成薄膜（例如，与厚度为小于等于1μm）的。在某些情况下，能够提供光学反馈的结构甚至可以通过自组33–35形成。此外，这些材料的增益可以通过化学结构的组成和特征尺寸针对性修饰来调整（图3b）。此外，增益谱通常是很宽的，因此激光波长可在不更换材料的情况下大范围内调整36。历史上有机染料的方法已经用在宏观的，工作在可见光和近红外波段的波长的可调谐染料激光器上。近年来，微流控芯片领域，已经能够把这样的方法应用在小激光中37–40。这些射流激光器一个独特的优点是，折射率和有源介质的增益光谱可以在设备中通过交换溶剂或染料来调节可调。另外，有机染料可以嵌入在一个透明的和富有机械柔性的固体基质中，一般是在有机聚合物中41,42。有机半导体与有机染料一样，是具有很强的光学跃迁的烃类化合物。此外，他们的大共轭π电子系统赋予的半导体一些性质，从而允许电流的直接注入，虽然有机半导体材料的载流子迁移率低，至今阻碍激光通过在这些材料中直接的电泵浦。获得这些经过改善的载流子迁移率的和高光增益材料的方法牵涉到微调共轭聚合材料主链的高分子材料或引入长范围序列43,44。光泵浦有机半导体激光器的配置已经探索了相当详细。除了代表迈向电泵浦有机激光器的一个中间步骤，这些设备也发现一些直接的应用，例如，当和廉价的二极管泵浦源45进行一个耦合。在高激发条件下，有机材料可以表现出荧光的光致漂白和光学增益，在高功率密度时，长期运行的稳定性是一个值得关注的问题。无机胶体量子点保留了许多有机材料引人注意的特性—如基于溶液的可加工性和发射的良好的可调性（图3b）46，与此同时可提供更好的稳定性。与外延生长量子点相比，胶体量子点通常更小（半径为1nm-4nm）并且经常使用CdSe、CdTe或PBS芯和ZnS或CdZnS壳作为核心–壳结构。在亚皮秒的光激发下，量子点薄膜的光学增益可达几百每厘米，并且激光在大范围波长内13,47已被不同的激光配置论证。小激光类型及其特点图3c–e总结了不同类型的小型激光器数个关键参数的。首先，激光的一个主要的最小尺寸被标示来的，如激光器的VCSEL腔的长度或布拉格光栅大小，这表明设备可以有多小。其次，给出了激光的整体体积。为了一个公平的比较，两个参数统一用标准化的自由空间波长，并且也激光在此空间发射。作为性能指标，Q因子和激光阈值也被不同的例子所列举。可以看出，金属和电介质谐振腔激光器之间在激光器尺寸和Q因子方面分别有明显的区别。垂直腔面发射激光器VCSEL。VCSEL解决了小激光器的很多问题，采用很高的反射率布拉格镜像（r1,2~0.99）和低的内部损失，以便只需要很少量的增益材料。高反射率的反射镜提供了一个高的Q因子和几个皮秒长的光子寿命（图3d）。然而，布拉格镜子的使用导致了几微米厚的整体装置（图3C）。横向尺寸往往是几种波长为了保持高Γ和限制内部损失，而这些是由表面粗糙引起的损失。花了十多年，从最初的VCSEL7的在低温下的论证到CW电泵浦装置室温设备被发明一个涉及到相关制造技术重大的改进的过程（例如，活性材料整体的增长和布拉格镜）。然而，自从达到这个里程碑，发展立刻加速和有用的商业设备也在1990s48。由于长的光子寿命和小的VA，研究人员取得了约10μA的较小的阈值电流的（参考文献49）。垂直腔面发射激光器VCSEL也被用有机半导体12,50，胶体量子点47和和产生荧光蛋白的细菌生物膜51实现了。此外，VCSEL结构经常被用来研究激子极化激元（框1）凝结。概念上小的纳米线激光器和VCSEL激光器是相似的，由于反馈是由短的（几微米）法布里–波罗腐型谐振器。然而，其横向尺寸通常更小-只有几百纳米或更小。因为这些空腔大概0.9的R